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肠源性血清素对骨代谢的影响

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中华骨质疏松和骨矿盐疾病杂志・2012年9月第5卷第3期 214・ CHIN J OSTEOPOROSIS&BONE MINER RES Vo1.5 No.3 September 20.2012 DOI:10.3969/j.issn.1674-2591.2012.03.010 ・综 述・ 肠源性血清素对骨代谢的影响 代守前,余利鹏 ,韦永中,吴昊 [摘要] 血清素5羟色胺(5-HT)是一种古老的神经递质,表达于全身各组织,具有广泛而复杂的生 理功能。近年研究发现,外周血清素可以介导低密度脂蛋白受体相关蛋白5(LRP5),参与动物骨量和骨形成 调节。LRP5通过特异性抑制十二指肠嗜铬细胞合成血清素,降低血液血清素水平。血液中血清素可以通过成 骨细胞上的5-HT1B型受体,经蛋白激酶A一环磷酸腺苷(PKA—cAMP)途径影响转录因子cAMP反应元件结合 蛋白(CREB)的磷酸化,抑制成骨细胞周期蛋白Cyclin D1、D2和E1的表达而抑制其增殖作用,进而抑制 骨形成。以此通路的特异性分子为靶点的药物(如抑制血清素合成的药物)可以对骨形成进行调节,为骨质 疏松等骨代谢性疾病的治疗提供新的研究方向。 [关键词] 低密度脂蛋白受体相关蛋白5;血清素;骨质疏松;f二指肠 中图分类号:R681 文献标识码:A Novel approach for effect of gut-derived serotonin on bone metabolism DAI Shou-qian,YU Li-peng ,WEI Yong-zhong,WUHao Department ofOrthopedics,the Fist Afilfiated Hospital ofNanjing Medial University,Nanjing 210029,China [Abstract] As an ancient neurotransmitter,serotonin(5-hydroxytryptamine,5-HT)is expressed in various tis— sues of the body and has broad and complex physiological functions.It is found in recent years that peripheral serotonin can mediate the effect of low density lipoprotein receptor—related protein 5(LRP5)on animal bone mass and bone forma— tion parameters.LRP5 can reduce blood serotonin level via speciicallfy inhibiting synthesis of serotonin by duodenal chro— mafifn cells.Serotonin in the circulation can activate protein kinase A—cyclic adenosine monophosphate(PKA—cAMP) signaling pathway after binding to 5-HT1 B receptor on the osteoblast.Then cAMP response element binding protein (CREB)phosphorylation is affected,followed by down—regulation of expression of cyclin D1,D2 and E1.Accordingly, serotonin inhibits bone formation.Drugs targeting speciifc molecules in this pathway(such as drugs of inhibiting serotonin synthesis)could regulate bone formation,which provides a new research direction towards the treatment of osteoporosis and other bone metabolic diseases [Key words]low density lipopmtein receptor—related protein 5;serotonin;osteoporosis;duodenum 骨形成和骨吸收是骨代谢中持续进行并相互耦 这种平衡的物质,肠源性和脑源性血清素均可以调  联的2个过程,其互相问的动态平衡对保持骨量非 节骨形成或骨吸收过程 。脑源性血清素和瘦素、常重要。这种平衡由各种生长因子、激素和药物所 自主神经系统组成调节骨代谢的中枢网络,脑源性 调节。近年的研究发现,血清素是又一种可以调节 血清素可以通过抑制外周自主神经促进骨的形成。 基金项目:国家自然科学基金面上项目(30600626) 作者单位:210029南京,南京医科大学第一附属医院江苏省人民医院骨科 通信作者:余利鹏,E—mail:lipeng_yu@yahoo.corn.an 中华骨质疏松和骨矿盐疾病杂志2012年9月第5卷第3期 。215・ CHIN J OSTEOPOROSIS&BONE MINER RES Vo1.5 No.3 September 20,2012 新近研究发现,肠源性血清素在外周组织中对骨形 类出生后骨形成的主要调节蛋白之一。作为低密度 成进行负性调节 。本文将详述肠源血清素对骨 脂蛋白受体家族的一个非典型成员,LRP5基因与 代谢影响的新进展及存在问题,以期为骨质疏松等 果蝇的arrow基因(编码无翅蛋白的协同受体)有 骨代谢性疾病治疗的研究提供新的思路。 高度同源性,而无翅蛋白即果蝇的WNT蛋白。。…。 血清素及其受体 WNT信号通路是一种广泛存在的信号通路,可以 调节细胞的增殖、分化和迁移。在脊椎动物细胞 血清素最早被发现于肠道组织中,并被命名为 中,其经典途径是由B—catenin介导的,WNT配体 肠胺。随后在循环系统中也被发现,并统一命名为 蛋白与Frizzle受体结合后抑制胞质内B.catenin的 血清紧张素(简称血清素,serotonin),其化学结 构为5一羟色胺(5.HT)。血清素在人体中广泛分 布,约90%合成和储存于肠嗜铬细胞,8%~10% 储存于血小板,1%~2%存在于中枢神经系统。色 氨酸羟化酶(Tph)是血清素合成的限速酶,有 ,rph1和Tph2两个亚型,分别负责外周组织和神经 中枢血清素的合成。5一HT转运蛋白(5一HTT)可 以特异性转运5-HT,通过再摄取对5一HT进行循环 利用或直接作用调节作用时间。由于5一HT不能透 过血一脑脊液屏障,中枢神经系统和外周组织中的 血清素分属2个完全的系统。 作为一种古老的神经递质,血清素水平的异常 与众多的精神和躯体疾病有关,包括抑郁、焦虑、 恐惧、精神、强迫症,以及偏头痛、高血压、 肺性高血压、饮食异常、呕吐和肠易激综合症 等 。在外周组织中,血清素可调节许多炎性反 应细胞的功能和细胞因子的合成及释放,促进炎性 反应的发生 ;作为一种内源性血管活性物质, 在支气管哮喘 』、阻塞性睡眠呼吸暂停 、肺动 脉高压 等呼吸系统疾病中发挥重要作用;血清 素也影响胃肠道的运动、分泌和内脏感觉。 血清素的生理作用是通过其受体实现的。根据 其结构、信号转导及动力学特征,哺乳动物血清素 受体(5.HTR)可分为7个家族,15个亚型。除 5-HTR3属配体门控离子通道家族外,其余均为G 蛋白耦联受体超家族成员 。研究发现,在骨组 织中存在血清素受体5.HTR1A、5一HTR1D、 5一HTR2A、5-HTR2B以及H1Tr、小泡单胺转运蛋白 (VMAT)和单胺氧化酶(MAO)的基因表达 j。 提示血清素系统可能调节骨骼系统的代谢。 LRP5对骨代谢的影响 低密度脂蛋白受体相关蛋白5(LRP5)是人 降解,促使B.catenin向胞核内转移,和Lef/Tcf等 转录因子协作激活相应的基因表达发挥其生理调节 作用¨ 。作为WNT信号通路的共同受体, LRP5及其异构体LRP6可以通过促进WNT蛋白与 其受体Frizzle的结合而促进信号传递¨ 。并且研 究发现,LRP5在体和离体都可以作为经典WNT 信号通路的一种共受体发挥功能_1 。 LRP5与骨代谢的关系最初起源2种人类遗传 病的研究,即骨质疏松假神经胶质瘤(OPPG)和 高骨量(HBM)综合征。OPPG是一种常染色体隐 性遗传病,患者主要症状表现为围产期失明_l 和出生两三年之后的低骨量表型¨ 。而HBM是一 种常染色体显性遗传病,表现为青春期后的高骨 量¨ J,女性患者不会发生绝经后骨质疏松。研 究表明,这2种遗传疾病都源于LRP5的基因变异 (失能性突变或获能性突变)。由于LRP5在Wnt信 号通路中的作用。研究者开始认为LRP5是通过其 在骨细胞中的Wnt信号来控制骨量。因此, 也可以认为OPPG和HBM是2种WNT信号通路疾 病。然而后续的研究发现,LRP5的突变可能不通 过骨组织WNT信号通道影响骨量。如LRP5敲除 小鼠或者OPPG和HBM患者出生时并未检测到骨 量异常¨ ,说明其配体在发育过程中不起作用。 目前研究证实WNT蛋白在胚胎发育过程中发挥重 要作用¨2I J。LRP5获能性突变的HBM患者从未 发生骨肿瘤,而肿瘤恰是WNT信号通路在其它器 官中活性增加的标志¨ 。更重要的是,通过失活 B—catenin而灭活成骨细胞经典WNT信号通路并没 有出现由于LRP5失活所导致的出生后骨量减少, 也不影响成骨细胞的增殖,反而使得破骨细胞的骨 吸收能力增强。加J。成骨前体细胞特异性敲除LRP5 不影响骨形成,而在成骨前体细胞失活B—catenin 中华骨质疏松和骨矿盐疾病杂志2012年9月第5卷第3期 CHIN J OSTEOPOROSIS&BONE MINER RES Vo1.5 No.3 September 20.2012 会抑制成骨细胞的分化从而抑制骨形成‘ 。由于 异。尽管相比野生型小鼠,Tph1敲除小鼠全血血 LRP5可以和多种配体相结合并激活不同的细胞内 清素水平几乎为零 ,可是两者骨量却没有明 信号通路¨ ,因此,LRP5也可能并不是通过经典 显差异。通过遗传或药物方法降低全血和肠道血清 WNT信号通路影响骨量的。Yadav等 研究发现, 素水平并不影响卵巢切除小鼠的皮质骨、小梁骨质 虽然LRP5敲除小鼠的成骨细胞明显减少,可是其 量和骨形成。因此他们认为,LRP5在局部作用于 离体培养的成骨细胞增殖能力和野生型的没有差 骨细胞和一些晚期成骨细胞,通过经典WNT信号 异。说明LRP5可能是通过其他途径间接影响骨 通路直接调节骨细胞的功能和骨量 J。目前,上 量 肠源血清素与骨代谢 Yadav等 通过微点阵分析和条件性基因敲除 寻找LRP5的作用靶点发现,LRP5敲除的小鼠体 内高过量表达色氨酸羟化酶1(Tph1)基因,而 rrph1主要表达于十二指肠嗜铬细胞,编码色氨酸 羟化酶,后者为外周血清素合成限速酶 l,LRP5 的缺失会影响到肠源血清素的合成。敲除LRP5的 小鼠和OPPG患者血液中血清素水平增高,而 HBM患者血清素水平降低 1.∞J。并且其血清素水 平的升高与降低也都是发生在出生后,时问和骨量 的变化一致 , J。给予LRP5敲除的小鼠低色氨酸 (血清素前体)饮食可以降低血液血清素水平,恢 复基因敲除小鼠的骨量和骨形成参数,使用血清素 合成抑制剂对氯苯基丙氨酸(pCPA)也能改善低 骨量表型 J。此外,特异性敲除肠细胞的rrph1可 导致成骨细胞数量增加、骨形成增加和高骨量表 型,而特异性敲除成骨细胞的rrph1却没有骨量改 变l2 。由此可见,血清素对骨形成具有负性调节 作用 j,LRP5通过抑制肠道嗜铬细胞Tphl的表 达,降低血液中的血清素水平,继而问接骨 量。 需要强调的是,关于LRP5对骨量的调节方式 和调节机制存在争议。Cui等 同样通过基因敲除 的办法探讨LRP5对骨量的影响,结果和Yadav 等 的研究不同。他们发现LRP5并非通过抑制外 周血清素的合成间接调节骨形成,因为激活骨细胞 上的HBM LRP5等位基因可以提高骨量,骨细胞 上的LRP5失活会使骨量减少,而灭活肠道LRP5 并没有发生骨量异常。LRP5的基因变异和小鼠血 液血清素水平没有关系,甚至定量PCR发现不同 LRP5基因型小鼠的肠道Tphl的表达也没有明显差 述2项研究结果差异的原因尚不清楚,可能与不同 的LRP5等位基因设计方法、转基因小鼠种属差 异、不同的血清素水平检测手段、不同的动物饲养 环境和不同的实验设计有关。 为了进一步阐明血清素的作用机理,Yadav 等 通过动物和细胞实验分别逐一敲除成骨细胞 血清素受体基因(主要为5.HTR1B、5-HTR2A和 5-HTR2B),发现虽然包括成骨细胞在内的大多数 细胞都表达不止一种血清素受体 J,但5一HTR1 B 是骨组织细胞上的主要功能受体,阻断5一HTR1B 的效果和阻断5一HT的合成一样会使骨量增加 J, 而阻断5一HTR2A和5一HTR2B的激活没有明显骨量 异常。血清素作用于5一HTR1B,通过抑制cAMP的 产生和PKA介导的转录因子CREB的磷酸化,抑 制成骨细胞周期蛋白基因Cyclin D1、D2和E1的 表达,通过抑其细胞增殖 J,从而调节成骨细胞 数量和骨量。 有关临床研究也发现,外周血清素对骨量具有 重要的调节作用。自闭症儿童的血液血清素水平增 高,骨皮质厚度明显变薄 J。一项通过比较275 例女性外周血血清素水平和全身、脊椎、股骨颈骨 矿物质密度以及骨微结构参数的研究发现,血清素 水平和全身几乎所有的骨组织骨密度(腰椎除外) 呈负相关,和体重指数亦呈负相关 。服用血清 素重摄取抑制剂(可以提高血清素水平)治疗抑 郁症的患者,会发生骨量减少或骨质疏松 ,而 不服用或服用其他类型抗抑郁药则没有上述不良反 应。可见,血清素水平与人体骨量的调节有关。通 过特异性抑制人体肠道血清素的合成可能成为治疗 骨质疏松的新方法。 肠源血清素与骨质疏松的治疗 骨重构由骨形成和骨吸收2方面组成,如果骨 中华骨质疏松和骨矿盐疾病杂志2012年9月第5卷第3期 CHIN J OSTEOPOROSIS&BONE MINER RES Vo1.5 No.3 September 20,2012 吸收增加而骨形成未能及时补偿就会发生骨丢失性 否也参与或部分参与血清素功能的调节?在成骨细 疾病 。原发性骨质疏松就是以骨量减少、骨的 胞不同的分化阶段或者机械负荷增加等不同状况  微观结构退化为特征的,致使骨的脆性增加以及易 下,LRP5是否会对骨细胞具有直接作用?同样,于发生骨折的一种全身性骨胳疾病 。既然LRP5 通过调节血清素水平用于临床治疗骨质疏松方面也 可能通过抑制肠道血清素对骨形成的负向作用来提 存在一些问题。降低血清素水平是否也可以促进老 高骨量,这就为骨质疏松的治疗途径提供了一种新 年人的骨形成?如果同时使用抗抑郁药会不会影响 的可能,即通过使用LRP5激动剂或者血清素合成 其功效?我们通常服用的用来治疗偏头痛的色氨酸 抑制剂来调节肠源血清素的合成,进而调节骨量。 (5-HT1B/5.HT1D受体激动剂)会不会影响骨量? 由于Tphl是细胞特异性的基因,仅仅表达于胃肠 道的嗜铬细胞中,所以如果有一种药物能够在肠道 局部抑制Tphl的表达,就可能间接地调节骨量。 事实上,Shi等 报道了一种小分子的Tphl 特异性抑制剂LP533401,它不会或极少穿过血一脑 脊液屏障 。初步的临床试验表明,这种药物在 人体即使达到高浓度也是安全的。LP533401在很 大的剂量范围内都可以降低循环血清素的水平,而 不影响脑源血清素的含量。这一点很重要,因为肠 源血清素和脑源血清素对骨量的影响是相反的,而 且后者居于主导地位 。LP533401能有效降低 30%~50%的循环血清素水平,这与敲除rrph1的 高骨量表型小鼠具有类似的效果 j。LP533401作 用于切除卵巢的小鼠4周,可以阻止其骨质疏松的 发生 ,类似的现象也在高骨量患者中获得验证, Frost等 分析了由于LRP5获能性突变所致的高 骨量表型患者血浆血清素水平发现,他们的循环血 清素浓度显著低于对照组,表明循环血清素水平可 以调节骨量。卵巢切除的动物实验也证明, LP533401即使在相对较低的剂量也可以通过促进 骨形成来改善已经发生的骨质疏松症 ,而且这 种作用和每日注射甲状旁腺激素(目前仅有的批 准应用于l临床的促进骨形成药物)效果相当。 小 结 虽然LRP5可以通过抑制肠道血清素的表达对 骨量进行调节,初步实验也证明其具有治疗骨质疏 松的前景,可是该通路仍然存在一些没有完全阐明 的问题。如LRP5在十二指肠的配体是什么?它是 如何调节血清素的生成的?LRP5介导的血清素水 平改变会不会对心脏瓣膜、肺循环等其他外周血清 素系统产生影响?除5一HT1B受体外,其他受体是 上述问题和争议还有待更多更确切的基础实验和临 床证据来解决。对LRP5、肠源血清素与骨代谢关 系的研究不断深入,将可能为骨质疏松等骨代谢性 疾病带来新的治疗方法。 参 考 文 献 [1]Ducy P.5-HT and bone biology[J].Curt Opin Pharma— eol,2011,11:34—38. 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